设计模式详解——单例模式

柔光的暖阳◎ 2022-06-15 11:49 151阅读 0赞

> 本篇文章介绍一种设计模式——单例模式。本文参考文章：[《JAVA与模式》之单例模式][JAVA],[如何正确地写出单例模式][Link 1]。

### 一、单例模式 ###

##### 1.定义 #####

作为对象的创建模式，单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类。

##### 2.特点 #####

单例类只能有一个实例。

单例类必须自己创建自己的唯一实例。

单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

### 二、创建单例模式的方式 ###

##### ①懒汉式，线程不安全 #####

懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒，那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建，懒人嘛，总是推脱不开的时候才会真正去执行工作，因此在装载对象的时候不创建对象实例。

public class Singleton {
        private static Singleton instance;
        private Singleton (){}
    
        public static Singleton getInstance() {
         if (instance == null) {
             instance = new Singleton();
         }
         return instance;
        }
    }

这段代码简单明了，而且使用了懒加载模式，但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。

##### ②懒汉式，线程安全 #####

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。

public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

##### ③双重检验锁 #####

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         //Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {                 //Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance ;
    }

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于instance = new Singleton()这句，这**并非是一个原子操作**，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:

1.给 instance 分配内存

2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量

3.将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
        private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
        private Singleton (){}
    
        public static Singleton getSingleton() {
            if (instance == null) {                         
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (instance == null) {       
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    
    }

有些人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。**使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。**也就是说，**在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前**。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。

从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

##### ④饿汉式 static final field #####

饿汉式其实是一种比较形象的称谓。既然饿，那么在创建对象实例的时候就比较着急，饿了嘛，于是在装载类的时候就创建对象实例。

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
        //类加载时就初始化
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    
        private Singleton(){}
    
        public static Singleton getInstance(){
            return instance;
        }
    }

缺点是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），**单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。**

饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。

##### ⑤静态内部类 static nested class #####

这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

public class Singleton {  
        private static class SingletonHolder {  
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
        }  
        private Singleton (){}  
        public static final Singleton getInstance() {  
            return SingletonHolder.INSTANCE; 
        }  
    }

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题。由于静态单例对象没有作为Singleton的成员变量直接实例化，因此类加载时不会实例化Singleton，**第一次调用getInstance()时将加载内部类SingletonHolder** ，在该内部类中定义了一个static类型的变量INSTANCE ，此时会首先初始化这个成员变量，由Java虚拟机来保证其线程安全性，确保该成员变量只能初始化一次。由于getInstance()方法没有任何线程锁定，因此其性能不会造成任何影响。

由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

##### ⑥枚举 Enum #####

用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。

public enum EasySingleton{
        INSTANCE;
    }

我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心double checked locking，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。

### 三、总结 ###

一般来说，单例模式有五种写法：懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现，上文中第一种方式线程不安全，排除。

一般情况下直接使用饿汉式就好了，如果明确要求要懒加载（lazy initialization）倾向于使用静态内部类。如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

[JAVA]: http://www.cnblogs.com/java-my-life/archive/2012/03/31/2425631.html
[Link 1]: http://wuchong.me/blog/2014/08/28/how-to-correctly-write-singleton-pattern/